结合全国大学生电子设计竞赛的实验案例开发与实施

结合全国大学生电子设计竞赛的实验案例开发与实施

陈艺慧

厦门大学 电子科学与技术学院，福建 厦门 361005

摘要：通过实验案例设计将全国大学生电子设计竞赛相关知识点融入到模拟电子技术实验的教学中，有效促进实验教学内容的改革，为学生提供理论与实践结合的平台，学生的电子系统设计能力明显提高，提升了学生参与竞赛的热情与信心，并提高学生再该项比赛中的成绩。

关键词：实验案例设计、层次化实验教学、电子设计竞赛、实验教学改革

全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革，其特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改革和实验室建设工作。【1】

竞赛将电子信息类学生专业课程学习内容与当前新技术新方法有机结合，通过具有工程意义、实践意义的综合电子系统设计，培养学生解决复杂问题的能力。由于，竞赛涵盖的知识和技术丰富，因此，学生参加竞赛，需要掌握丰富的电子设计知识及技能储备。竞赛过程有效提高学生电子系统设计的兴趣，培养了学生查阅资料的能力、方案设计能力、电子产品制作能力、团队协作精神、撰写科技报告的能力等。【2】

因此，本文根据2020年竞赛综合测试题E题——放大器非线性失真研究装置，同时根据学生能力水平的不同，对实验项目进行层次化设计，将实验项目分为基本要求、进阶要求和提高要求三个层次，促进学生对相关知识点的深入学习。基本要求从经典题目三极管基本放大电路入手，重视开发基础的教学，包括三极管各类放大电路的熟练掌握、模块化系统设计的思想等。进阶要求、提高要求在经典题目的基础上进行扩展，涉及更丰富的知识面，同时要求加大实验室向学生开放的力度，学生进行自我管理，变被动学习为主动探索，调动了学生的积极性。【3】

一、案例设计任务与指标

音频放大器能将频率从 20HZ到 20KHZ的音频信号进行不失真的放大，是放大器中最基本的放大器,音频放大器根据性能不同,可分为基本放大器和负反馈放大器。本案例就是设计音频放大器，电源电压采用5V，同时通过改变参数使放大器可以输出各种失真波形，包括顶部失真、底部失真、双向失真和交越失真，其系统结构如图1所示【4】：

图1 音频放大器系统结构

本系统使用 9011、 9012、 9013 三种晶体管构成三级放大电路。 第一级是由 9011 构成的单级电流串联负反馈放大电路； 第二级为 9011 构成的单级电压负反馈放大电路； 第三级为 9012 和 9013 构成的 OTL电路。 其中， 通过调节第一级放大电路的 Re改变放大倍数， 使电路产生双向失真； 通过改变静态工作点， 进而可使电路产生截止失真和饱和失真， 通过短接互补推挽电路 9012 和 9013 的基极， 并外接负载的方式产生交越失真。 波形切换可以通过按键开关及4017来控制模拟开关4066， 切换观察波形。

实验任务与指标如下：

1、测量9011、9012、9013的beta值；

2、单级共射电流串联负反馈放大器（前置放大器）的设计，性能指标要求： ；

3单级共射电压并联负反馈放大器（推动放大器）的设计，性能指标要求： ；

4、将前置放大器和推动放大器串联构成两级放大器，测量该电路参数及最大动态范围；

5、设计音频放大器OTL输出级；

6、音频放大器的焊接、调试：1）将调试好的前置级、推动级、输出级分别按照所给电路板进行安装、焊接，组成音频放大器；2）接上+5V电源，用万用表电流档测量电路的总电流，如果总电流小于5mA,则可直接给OTL加上5V电源，进行各级静态工作点的调试，若大于10mA，则应切断电源，检查电路故障原因，并排除；

7、测量音频放大器的指标：1）最大不失真输出功率 ；2）电压增益, ；3）频率特性, ；4）效率；5）调整电路参数，使输出波形能出现良好、截止失真、饱和失真、双向失真以及交越失真的情况；

8、不同层次任务要求：设计要求中1~6，以及7中的1）、2）、3）点为基本要求，7中的4)、5)为进阶要求；进阶要求为结合数电知识设计通过按键观察各种失真波形，而不是手动改变阻值的大小来观察，同时自己应用万用板来搭接电路，或者自己画PCB板；提高要求就是通过单片机的知识设计测量各种失真波形的总谐波失真大小。

二、 实验实施过程

为了更好地开展实验教学， 充分利用现代教育技术，本案例采用线上线下相结合的方式，线上学生通过观看视频进行自主学习，并进行计算机仿真，线下主要采用传统的“板书”及多媒体技术相结合的方式进行启发式教学，引导学生进行实验。充分利用各种教学手段的优点，形成多元化的实验教学模式。

实验实施过程中对案例进行层次化设计，与模拟电子线路实验的三极管放大器内容结合。通过完成该实验学生深入学习掌握三极管放大器的各项应用，同时对电子设计竞赛有进一步了解，提升学生学习兴趣与参赛信心。

三、实验考核

根据完成情况以及实验报告给出实验成绩，实验报告要求至少包含以下几点：1）画出音频放大器总体框，说明电路原理；2）画出设计电路，标明元件参数，说明参数设计理由；3）调试过程中出现问题及解决方法；4）安装调试过程中出现的问题及解决方法；5）将实验数据和结果列成表格，并与设计时的理论计算进行比较，分析讨论实验结果；6）总结实验过程的体会和收获，对实验进行小结。若完成谐波失真大小的测量有再额外加分。

四 实验效果

将全国大学生电子设计竞赛与实验教学内容融合是本实验案例探索的主要内容。对2020年的竞赛题目——放大器非线性失真研究装置，融入模拟电子技术实验中的三极管基本放大电路的实验内容，对竞赛题目进行简化，同时进行层次化设计，学生可以由浅入深逐级完成各级电路的设计，每一级电路都使用三极管放大电路，最后通过联合调试，锻炼了学生实际应用的能力和小系统设计的能力，同时在扩展要求中，通过PCB板设计或万用板搭建、组装、焊接掌握电子产品制作的流程及相关工艺。

将竞赛题目融入实验教学内容，提升学生参与竞赛的热情和信心，同时可以推动实验教学内容与方法的改革，为学生提供理论与实践结合的平台，同时学生的电子系统设计能力明显提高。

参考资料

[1]全国大学生电子设计竞赛章程_大学生电子设计竞赛 (xjtu.edu.cn)；

[2]吴迪等. 全国大学生电子设计竞赛与实验教学融合实验案例设计[J].中国现代教育装备，2020.06,339：116-118；

[3]吴迪等. FPGA 层次化实验教学案例分析[J]. 电气电子教学学报,2020,42(1)：151-154；

[4]刘舜奎等.电子技术实验教程（第三版）【M】.厦门大学出版社，2013：85-87。